POTANSIYEL ENERJI: ÖZELLIKLER, TÜRLER, HESAPLAMA VE ÖRNEKLER - FIZIKSEL - 2025

Potansiyel enerji , enerji kendi yapılandırması altında organları olduğunu. Nesneler etkileşime girdiğinde, aralarında iş yapabilecek kuvvetler vardır ve düzenlerinde depolanan bu iş yapma yeteneği enerjiye dönüştürülebilir.

Örneğin, insanlar çok eski zamanlardan beri şelalelerin potansiyel enerjisini önce iplik fabrikalarında sonra da hidroelektrik santrallerinde kullanıyorlar.

Niagara Şelalesi: büyük bir yerçekimi potansiyeli enerjisi rezervuarı. Kaynak: Pixabay.

Öte yandan, birçok malzeme deforme ederek ve sonra orijinal boyutlarına dönerek olağanüstü bir iş yapma yeteneğine sahiptir. Ve diğer durumlarda, elektrik yükünün düzenlenmesi, bir kapasitör gibi elektriksel potansiyel enerjinin depolanmasına izin verir.

Potansiyel enerji, diğer kullanılabilir enerji biçimlerine dönüştürülmek için pek çok olanak sunar, dolayısıyla onu yöneten yasaları bilmenin önemi vardır.

Potansiyel enerjinin kaynağı

Bir nesnenin potansiyel enerjisi, onu etkileyen kuvvetlerden kaynaklanır. Bununla birlikte, potansiyel enerji skaler bir niceliktir, kuvvetler vektördür. Bu nedenle potansiyel enerjiyi belirtmek için sayısal değerini ve seçilen birimleri belirtmek yeterlidir.

Bir diğer önemli kalite, potansiyel enerjinin depolanabileceği kuvvet türüdür, çünkü her kuvvet bu erdeme sahip değildir. Yalnızca muhafazakar kuvvetler, üzerinde hareket ettikleri sistemlerde potansiyel enerjiyi depolar.

Muhafazakar kuvvet, işin nesnenin izlediği yola değil, sadece başlangıç ​​noktasına ve varış noktasına bağlı olduğu bir güçtür. Düşen suyu harekete geçiren kuvvet, tutucu bir kuvvet olan yerçekimidir.

Öte yandan, elastik ve elektrostatik kuvvetler de bu kaliteye sahiptir, dolayısıyla bunlarla ilişkili potansiyel enerji vardır.

Yukarıda belirtilen gerekliliği karşılamayan kuvvetlere muhafazakar olmayan denir; Bunların örnekleri sürtünme ve hava direncidir.

Potansiyel enerji türleri

Potansiyel enerji her zaman daha önce bahsedilenler gibi koruyucu kuvvetlerden türediğinden, yerçekimi potansiyel enerjisi, elastik potansiyel enerji, elektrostatik potansiyel enerji, nükleer potansiyel enerji ve kimyasal potansiyel enerjiden bahsediyoruz.

Yerçekimi potansiyel enerjisi

Herhangi bir nesnenin yerden yüksekliğinin bir fonksiyonu olarak potansiyel enerjisi vardır. Görünüşte basit olan bu gerçek, düşen suyun neden türbinleri çalıştırabildiğini ve sonunda elektrik enerjisine dönüştürüldüğünü gösteriyor. Burada gösterilen kayakçı örneği ayrıca ağırlık ve yüksekliğin yerçekimi potansiyel enerjisi ile ilişkisini gösterir.

Başka bir örnek, yerden belirli bir yükseklikte olduğunda daha yüksek potansiyel enerjiye sahip olan roller coaster arabadır. Yer seviyesine ulaştığında yüksekliği sıfıra eşittir ve tüm potansiyel enerjisi kinetik enerjiye (hareket enerjisi) dönüştürülür.

Animasyon, hız treninde hareket eden bir nesnenin yerçekimi potansiyel enerjisi ile kinetik enerjisi arasındaki değişimini gösterir. Mekanik enerji olarak adlandırılan her iki enerjinin toplamı hareket boyunca sabittir. Kaynak: Wikimedia Commons.

Elastik potansiyel enerji

Yaylar, yaylar, tatar yayları ve lastik bantlar gibi nesneler elastik potansiyel enerjiyi depolayabilir.

Okçu, yayı çekerek yay-ok sisteminin potansiyel enerjisi olarak depolanan işi yapar. Yayı bıraktığınızda, bu enerji okun hareketine dönüşür. Kaynak: Pixabay.

Bir cismin veya bir malzemenin esnekliği, bize sıkıştırıldığında veya gerildiğinde uygulayabilen kuvvetin deformasyonuyla orantılı olduğunu söyleyen Hooke yasasıyla (belirli sınırlara kadar) tanımlanır.

Örneğin, bir yay veya yay olması durumunda, bu, ne kadar büzülür veya gerilirse, bir uca yerleştirilen bir nesneye uygulayabileceği kuvvet o kadar fazla olduğu anlamına gelir.

Elektrostatik potansiyel enerji

Elektrik yüklerinin konfigürasyonları sayesinde sahip oldukları enerjidir. Aynı işaretin elektrik yükleri birbirini iter, bu nedenle belirli bir konuma bir çift pozitif veya negatif yük yerleştirmek için, harici bir etmen işe yaramalıdır. Aksi takdirde ayrılma eğiliminde olurlar.

Bu iş, yüklerin yerleştirildiği şekilde depolanır. Aynı işaretin yükleri ne kadar yakınsa, konfigürasyonun sahip olacağı potansiyel enerji o kadar yüksek olacaktır. İş birçok farklı işaret söz konusu olduğunda bunun tersi olur; Birbirlerini çektikçe, ne kadar yakın olurlarsa, sahip oldukları potansiyel enerji o kadar azdır.

Nükleer potansiyel enerji

Helyum atomunun yaklaşık temsili. Çekirdekte protonlar kırmızı ve nötronlar mavi ile temsil edilir.

Atom çekirdeği, genel olarak nükleon adı verilen proton ve nötronlardan oluşur. İlki pozitif elektrik yüküne sahiptir ve ikincisi nötrdür.

Hayal gücünün ötesinde küçük bir boşlukta toplandıklarından ve aynı burcun yüklerinin birbirini ittiğini bildiğinden, atom çekirdeğinin nasıl birleşik kaldığını merak ediyor insan.

Cevap, elektrostatik itmenin yanı sıra, güçlü nükleer etkileşim ve zayıf nükleer etkileşim gibi çekirdeğin özelliği olan diğer güçlerde yatmaktadır. Bunlar elektrostatik kuvveti çok aşan çok güçlü kuvvetlerdir.

Kimyasal potansiyel enerji

Bu potansiyel enerji biçimi, farklı kimyasal bağ türlerine göre madde atomlarının ve moleküllerinin nasıl düzenlendiğinden gelir.

Kimyasal bir reaksiyon gerçekleştiğinde, bu enerji, örneğin bir pil veya elektrik pili aracılığıyla başka türlere dönüştürülebilir.

Potansiyel enerji örnekleri

Potansiyel enerji günlük yaşamda pek çok şekilde mevcuttur. Etkilerini gözlemlemek, herhangi bir nesneyi belirli bir yüksekliğe yerleştirmek ve herhangi bir zamanda yuvarlanıp düşebileceğinden emin olmak kadar kolaydır.

Daha önce açıklanan potansiyel enerji türlerinin bazı tezahürleri şunlardır:

-Lunapark hızlı treni

Yokuş aşağı yuvarlanan arabalar veya toplar

-Yaylar ve oklar

-Elektrik piller

-Bir sarkaçlı saat

Uçtaki kürelerden biri harekete geçirildiğinde, hareket diğerlerine iletilir. Kaynak: Pixabay.

-Salıncakta sallanmak

-Bir tramboline atla

- Geri çekilebilir bir kalem kullanın.

Bakınız: potansiyel enerji örnekleri.

Potansiyel enerjinin hesaplanması

Potansiyel enerji, kuvvet tarafından yapılan işe bağlıdır ve bu da yörüngeye bağlı değildir, bu nedenle şöyle ifade edilebilir:

-A ve B iki nokta ise, A'dan B'ye gitmek için gereken W _AB işi, B'den A'ya gitmek için gereken işe eşittir. Bu nedenle: W _AB = W _BA , yani:

-Ve iki farklı yörünge 1 ve 2, bahsedilen A ve B noktalarına katılmaya çalışılırsa, her iki durumda da yapılan iş aynıdır:

W ₁ = W ₂ .

Her iki durumda da nesne potansiyel enerjide bir değişiklik yaşar:

Şey, nesnenin potansiyel enerjisi, (muhafazakar) kuvvet tarafından yapılan işin negatifi olarak tanımlanır:

Ancak iş bu integral tarafından tanımlandığı için:

:

Potansiyel enerji birimlerinin işinkilerle aynı olduğuna dikkat edin. SI Uluslararası Sisteminde birim, İngiliz fizikçi James Joule (1818-1889) tarafından J ile kısaltılan ve 1 newton x metreye eşit olan joule'dir.

Diğer enerji birimleri arasında cgs erg, pound-force x foot, BTU (British Thermal Unit), kaloriler ve kilowatt-saat bulunur.

Potansiyel enerjinin nasıl hesaplanacağına dair bazı özel durumları aşağıda görelim.

Yerçekimi potansiyel enerjisinin hesaplanması

Dünya yüzeyinin yakınında, yerçekimi kuvveti dikey olarak aşağıya bakar ve büyüklüğü Ağırlık = kütle x yerçekimi denklemiyle verilir.

“Y” harfi ile dikey ekseni gösteren ve bu yöne birim vektör atama j , pozitif yukarı ve negatif aşağı, potansiyel enerji değişim y ile ilgili bir gövde hareket y = l olduğunda _A y = ve _B olduğu :

Elastik potansiyel enerjinin hesaplanması

Hooke kanunu bize kuvvetin deformasyonla orantılı olduğunu söyler:

Burada x gerinimdir ve k, yayın ne kadar katı olduğunu gösteren bir öz sabitidir. Bu ifade ile elastik potansiyel enerjisi hesaplanır ve i'nin yatay yöndeki birim vektör olduğu dikkate alınır :

Elektrostatik potansiyel enerjinin hesaplanması

Bir nokta elektrik yükünüz Q olduğunda, başka bir nokta yükünü q algılayan ve alanın ortasında bir konumdan diğerine hareket ettirildiğinde üzerinde çalışan bir elektrik alanı üretir. İki nokta yükü arasındaki elektrostatik kuvvet, birim vektör r ile sembolize edilen radyal bir yöne sahiptir :

Örnek Şekil 1. Kaynak: F. Zapata.

Çözüm

Blok zemine göre h _A yüksekliğinde olduğunda, yüksekliğinden dolayı yerçekimi potansiyel enerjisine sahiptir. Serbest bırakıldığında, bu potansiyel enerji yavaş yavaş kinetik enerjiye dönüştürülür ve düz eğimli rampadan aşağıya doğru kayarken hızı artar.

A'dan B'ye giden yol boyunca, düzgün değişen doğrusal hareket denklemleri uygulanamaz. Bloğun hareketinden yerçekimi sorumlu olsa da, yaşadığı hareket daha karmaşıktır, çünkü yörünge doğrusal değildir.

AB yolunda enerjinin korunumu

Ancak yerçekimi koruyucu bir kuvvet olduğundan ve rampada sürtünme olmadığından, rampanın sonundaki hızı bulmak için mekanik enerjinin korunumunu kullanabilirsiniz:

İfade, kütlenin her terimde göründüğüne dikkat edilerek basitleştirilmiştir. Durağan durumdan serbest bırakılır v _A = 0. Ve h _B zemin seviyesinde, h _B = 0. Bu basitleştirmelerle ifade şu şekilde azaltılır:

BC bölümünde ovalayarak yapılan iş

Şimdi blok bu hızla engebeli bölümdeki yolculuğuna başlar ve sonunda C noktasında durur. Bu nedenle v _C = 0. Mekanik enerji artık korunmamaktadır, çünkü sürtünme tüketen bir kuvvettir, tarafından verilen blokta çalışmak:

Kinetik sürtünme nesneyi yavaşlatıp hareketine karşı çıktığı için bu çalışmanın negatif bir işareti vardır. Kinetik sürtünmenin büyüklüğü f _k :

N normal kuvvetin büyüklüğüdür. Normal kuvvet, blok üzerindeki yüzey tarafından uygulanır ve yüzey tamamen yatay olduğundan, P = mg ağırlığını dengeler, dolayısıyla normalin büyüklüğü:

Bu şunlara yol açar:

F _k'nin blokta yaptığı iş: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Mekanik enerjideki değişimin hesaplanması

Bu iş, şu şekilde hesaplanan mekanik enerjideki değişime eşdeğerdir:

Bu denklemde kaybolan bazı terimler vardır: K _C = 0, çünkü blok C de durduğundan ve U _C = U _B de bu noktalar yer seviyesinde olduğundan kaybolur . Basitleştirme şunlarla sonuçlanır:

Kütle tekrar ortadan kalkar ve D aşağıdaki gibi elde edilebilir:

Referanslar

1. Bauer, W. 2011. Mühendislik ve Bilimler için Fizik. Cilt 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Seri: Bilim ve Mühendislik için Fizik. Cilt 2. Dinamikler. Douglas Figueroa (USB) tarafından düzenlendi.
3. Giancoli, D. 2006. Fizik: Uygulamalı Prensipler. 6. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Bilim Adamları ve Mühendislik için Fizik: Bir Strateji Yaklaşımı. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Modern Fizikle Üniversite Fiziği. 14. Ed. Cilt 1-2.